粉煤灰-水泥體系對重金屬鉛的固化/穩(wěn)定效果研究

汪毅，徐兵，康明

（1.寶鋼發(fā)展有限公司，上海 201900；2.上海寶鋼新型建材科技有限公司，上海 201900）

粉煤灰-水泥體系對重金屬鉛的固化/穩(wěn)定效果研究

汪毅1，徐兵1，康明2

（1.寶鋼發(fā)展有限公司，上海 201900；2.上海寶鋼新型建材科技有限公司，上海 201900）

研究重金屬Pb對純水泥和粉煤灰-水泥體系抗壓強(qiáng)度、水化程度、毒性浸出以及孔徑分布等性能的影響，結(jié)果表明，純水泥和粉煤灰-水泥均可以有效固化/穩(wěn)定重金屬Pb。重金屬Pb對水泥的水化反應(yīng)影響較小，對純水泥試樣的強(qiáng)度發(fā)展以及孔分布影響較弱；Pb的添加可以促進(jìn)粉煤灰的火山灰反應(yīng)程度，但是反應(yīng)產(chǎn)物對樣品強(qiáng)度的貢獻(xiàn)有限，從而明顯減緩粉煤灰-水泥試樣的強(qiáng)度發(fā)展。

固化；穩(wěn)定；重金屬；粉煤灰；水泥

0 引言

鋼鐵冶煉過程中會(huì)形成Zn、Cu、Pb等重金屬污染物[1]，這些污染物最終落戶于企業(yè)空氣污染治理所得粉塵或污泥、軋屑回收污泥、水處理污泥以及場地土壤等處，并形成屬于國家危險(xiǎn)廢物名錄列表的危險(xiǎn)廢物，由于其平均含量＜100 mg/kg，回收利用成本高、難度大，國際上通常采用固化/穩(wěn)定方法進(jìn)行處理，以利于后續(xù)資源化利用或處置[2-3]。20世紀(jì)80年代起，固化/穩(wěn)定技術(shù)被用于美國25%以上的大規(guī)模工礦區(qū)的有害廢物處理。隨著我國城市污泥和生活垃圾焚燒項(xiàng)目的不斷落地，國內(nèi)對焚燒灰渣中重金屬固化也開展研究，部分研究表明[4-7]，通過固化可以有效控制重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。在眾多固化/穩(wěn)定技術(shù)中，粉煤灰與水泥的混合材料由于原料易得、成本低廉以及便于規(guī)模化實(shí)施等原因，而被廣泛應(yīng)用。但是，也有研究表明，重金屬對火山灰反應(yīng)具有一定程度的阻礙作用[8-9]。為了明確粉煤灰-水泥混合材料對重金屬固化/穩(wěn)定的適應(yīng)性，本研究選取鋼鐵冶煉與冷軋過程中常見的重金屬鉛作為研究對象，通過分析其在純水泥與粉煤灰-水泥2種固化/穩(wěn)定體系中的遷移行為，以及對火山灰反應(yīng)的影響特點(diǎn)，為重金屬的固化/穩(wěn)定材料選取提供理論支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：寧國水泥廠P·Ⅱ52.5R水泥，比表面積360 m2/kg，密度3.16 g/cm3。

粉煤灰：上海吳涇電廠的Ⅱ級(jí)F型粉煤灰，45 μm方孔篩篩余20%，燒失量6%。

重金屬Pb：采用GR級(jí)分析純Pb（OH）2，純度99.5%。毒性動(dòng)態(tài)浸出溶液的pH值用AR級(jí)醋酸調(diào)配。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

微機(jī)屏顯液壓萬能試驗(yàn)機(jī)MC009-WEW-300B：上海研潤光機(jī)科技公司；N7/H型馬弗爐：德國Nabertherm；AL204型電子天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；振蕩設(shè)備：恒溫?fù)u床TS-2102C，上?？瞥綄?shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；PM33GT-17壓汞儀：美國Quantachrome公司。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)表1配合比制備25 mm×50 mm的樣品，在25℃、相對濕度100%的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d和90 d。樣品中Pb含量按1份含鉛高爐塵泥（平均含鉛4.1%）配6份固化/穩(wěn)定劑計(jì)。樣品抗壓強(qiáng)度取3個(gè)測試值的平均值，抗壓強(qiáng)度測試所得碎塊，按照HJ557—2010《固體廢物浸出毒性浸出方法水平振蕩法》進(jìn)行浸出試驗(yàn)。采用粉煤灰水化程度和動(dòng)態(tài)浸出（DLT）試驗(yàn)[10]來表征重金屬鉛對火山灰反應(yīng)的影響。含有粉煤灰的樣品水化程度采用苦味酸-甲醇溶解法方法測試。采用丙酮終止樣品水化后，利用PM33GT-17壓汞儀測試樣品的孔分布。

表1 固化/穩(wěn)定試驗(yàn)的質(zhì)量配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度（見表2）

表2 不同固化/穩(wěn)定試樣的抗壓強(qiáng)度

從表2可以看出，含重金屬鉛的固化/穩(wěn)定試樣28 d、90 d抗壓強(qiáng)度均低于不含重金屬鉛的試樣，其中純水泥試樣C在2個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度均降低約15%；而摻加Ⅱ級(jí)F型粉煤灰的試樣，固化/穩(wěn)定重金屬鉛后，28 d抗壓強(qiáng)度降低35%，90 d抗壓強(qiáng)度降低約46%。由此可以看出，重金屬鉛對于純水泥水化反應(yīng)的影響有限，但是對于粉煤灰的火山灰反應(yīng)的影響則比較明顯。

2.2 水化程度

水化程度試驗(yàn)結(jié)果顯示，養(yǎng)護(hù)28 d后，不含重金屬鉛的CFA試樣、含重金屬鉛的CFA-Pb試樣粉煤灰水化程度分別為23.94%、27.19%；養(yǎng)護(hù)90 d后，CFA試樣、CFA-Pb試樣粉煤灰水化程度分別為37.31%、47.38%。由于水化程度測試方法不適用于純水泥樣品，故沒有純水泥試樣的水化程度數(shù)據(jù)。

2.3 毒性浸出

毒性浸出試驗(yàn)結(jié)果顯示，養(yǎng)護(hù)28 d后，純水泥試樣C-Pb、含粉煤灰的CFA-Pb試樣中Pb浸出濃度分別為0.12、2.71 mg/L；養(yǎng)護(hù)90 d后，C-Pb、CFA-Pb試樣中Pb浸出濃度分別為0.89、0.05 mg/L。C-Pb、CFA-Pb試樣中Pb的浸出率均遠(yuǎn)小于5 mg/L，滿足毒性浸出安全控制指標(biāo)。

Pb在DLT試驗(yàn)中的累積浸出率見圖1。

圖1 Pb在DLT試驗(yàn)中的累積浸出率

由圖1可見，對于養(yǎng)護(hù)28 d的試樣，Pb的累積浸出率均隨著浸出時(shí)間的延長而增加，純水泥試樣C-Pb中Pb的累積浸出率遠(yuǎn)大于含粉煤灰的試樣CFA-Pb；養(yǎng)護(hù)90 d后，純水泥試樣C-Pb中Pb的累積浸出率幾乎為0，含粉煤灰的試樣CFA-Pb中的最大累積浸出率為0.37%。

2.4 孔徑分布

對養(yǎng)護(hù)90 d的純水泥試樣C、C-Pb、C-Pb-DLT（經(jīng)過DLT浸出的C-Pb試樣）、含粉煤灰的試樣CFA、CFA-Pb、CFA-Pb-DLT（經(jīng)過DLT浸出的CFA-Pb試樣）孔徑分布進(jìn)行測試，結(jié)果分別見圖2、圖3。

圖2 純水泥試樣的孔徑分布

圖3 含粉煤灰試樣的孔徑分布

由圖2、圖3可見，重金屬Pb對純水泥試樣的孔徑分布影響很小，經(jīng)歷DLT浸出后的純水泥試樣僅增加了0.01～2μm內(nèi)的孔。對于含粉煤灰的試樣，添加重金屬Pb后，CFA-Pb的孔呈減小趨勢，但是經(jīng)歷DLT浸出后，CFA-Pb-DLT試樣在0.01～20 μm內(nèi)的孔顯著增加。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

重金屬Pb對純水泥試驗(yàn)的強(qiáng)度發(fā)展影響較小，說明Pb對C-S-H凝膠的形成影響較小，試樣孔徑分布的結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。但是隨著養(yǎng)護(hù)齡期延長，純水泥試樣中Ca（OH）2的供應(yīng)減緩，進(jìn)而導(dǎo)致90 d養(yǎng)護(hù)的純水泥試樣Pb浸出比粉煤灰-水泥試樣高。這說明純水泥固化/穩(wěn)定化重金屬Pb的過程中，化學(xué)穩(wěn)定的作用不容忽視。結(jié)合DLT的結(jié)果可以得出，雖然純水泥對于重金屬Pb的固化/穩(wěn)定效果非常好，但是當(dāng)固化/穩(wěn)定試樣破損后，重金屬Pb的浸出率會(huì)明顯提高。

雖然添加重金屬Pb可以使粉煤灰-水泥樣品的抗壓強(qiáng)度發(fā)生明顯降低，但水化程度結(jié)果顯示，添加Pb（OH）2能夠促進(jìn)粉煤灰中火山灰性物質(zhì)的溶解與反應(yīng)，而孔徑分布結(jié)果也顯示，添加Pb（OH）2后粉煤灰-水泥試樣的孔隙率會(huì)降低。這意味著Pb（OH）2能夠與粉煤灰中具有火山灰性的玻璃相物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。但是這種反應(yīng)物可能與C-S-H凝膠不同，在試樣中主要充當(dāng)填充孔隙的物質(zhì)而對試樣強(qiáng)度產(chǎn)生的貢獻(xiàn)較小。所以在經(jīng)由動(dòng)態(tài)連續(xù)浸出（DLT）后，試樣中的孔體積顯著增加，累積Pb浸出率也較高。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在粉煤灰-水泥固化/穩(wěn)定體系中，重金屬Pb可以阻礙粉煤灰的火山灰反應(yīng)，進(jìn)而影響反應(yīng)產(chǎn)物，無法有效形成網(wǎng)狀致密的結(jié)構(gòu)。因此，在利用粉煤灰-水泥材料固化/穩(wěn)定重金屬過程，應(yīng)該通過有效的堿性激發(fā)方法[11]，促使粉煤灰優(yōu)先反應(yīng)形成網(wǎng)狀致密結(jié)構(gòu)，從而可以利用粉煤灰中玻璃相與重金屬的反應(yīng)，以及粉煤灰孔隙對重金屬的物理吸附，而實(shí)現(xiàn)對重金屬的有效固化/穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（1）水泥以及粉煤灰-水泥混合材料均可以用作固化/穩(wěn)定重金屬Pb的材料。

（2）重金屬Pb能夠阻礙粉煤灰的火山灰反應(yīng)，但對硅酸鹽水泥強(qiáng)度發(fā)展的阻礙作用相對較弱。

（3）利用粉煤灰-水泥作為重金屬Pb的固化/穩(wěn)定材料，必需注意采用措施加快粉煤灰的火山灰反應(yīng)。

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Effect of fly ash-cement on the solidification/stabilization of lead

WANG Yi1，XU Bing1，KANG Ming2
（1.Baosteel Development Co.Ltd.，Shanghai 201900，China；2.Shanghai Baosteel New Building Materials Technology Co.Ltd.，Shanghai 201900，China）

This research investigated the influence of Pb（OH）2on the compressive strength，hydration degree，toxic leaching and pore size distribution of cement and fly ash-cement samples.The results showed that both cement and fly ash-cement materials are appropriate for the solidification/stabilization of lead.Pb（OH）2had little effect on the cement hydration，the strength development and pore size distribution of cement sample.The addition of Pb（OH）2accelerated the hydration degree of fly ash，however，the hydration products showed a little contribution on the strength of sample and，therefore，obviously lowered down the strength development.

solidification，stabilization，heavy metal，fly ash，cement

TU528.09

A

1001-702X（2016）07-0053-03

2015-11-02；

2016-03-05

汪毅，男，1973年生，上海人，碩士，工程師，主要從事鋼鐵工業(yè)固廢處置利用管理和研究工作。